Bài viết trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của sự gia tải bằng kích thủy lực từ thanh chống đến chuyển vị tường tầng hầm trong giai đoạn thi công hố đào tương ứng với từng trường hợp 2 đến 3 tầng hầm với từng dạng nền tự nhiên trong khu vực thành phố Hà Nội.
Trang 1Tóm tắt
Bài báo trình bày nghiên cứu ảnh hưởng của sự
gia tải bằng kích thủy lực từ thanh chống đến
chuyển vị tường tầng hầm trong giai đoạn thi
công hố đào tương ứng với từng trường hợp
2 đến 3 tầng hầm với từng dạng nền tự nhiên
trong khu vực thành phố Hà Nội Gia tải từ
thanh chống là giải pháp hợp lý để giữ ổn định
hố đào và giảm chuyển vị ngang tường tầng
hầm đặc biệt là chuyển vị ngang bụng tường và
đỉnh tường.
Abstract
This paper presents effect of loading with hydraulic
jack from struts to the displacement of the basement
wall construction phase pits corresponding to each
case 2 to 3 basements with every form of natural
background Hanoi city areas Loading from the strut
is reasonable solution to stabilize the pit and lower
horizontal displacement basement walls especially
abdominal wall horizontal displacement and the top
wall.
ThS Phạm Quang Vượng
Bộ môn Công nghệ và tổ chức thi công, Khoa Xây dựng
ĐT: 0975527523
Email: phamquangvuong.kt.hn@gmail.com
TS Nghiêm Mạnh Hiến
Bộ môn Công trình ngầm, Khoa Xây dựng
Email: hiennghiem@ssisoft.com
GiÀi ph¾p giÀm chuyæn vÌ ngang
tõñng tßng hßm trong giai ½oÂn
thi céng hê ½¿o bÙng hè chêng ½ó chÔ ½îng
The solution for reducing the lateral displacement of the basement diaphragm wall during
excavation construction by the active support system
ThS PhÂm Quang Võông PGS.TS Nghiãm MÂnh Hiän
Đặt vấn đề
Cùng với quá trình đô thị hóa, hiện đại hóa tại các thành phố lớn như: Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng thì nhu cầu về nhà ở, nhà làm việc, trung tâm thương mại
là rất lớn Với phạm vi đất đô thị hạn chế, các công trình cao tầng mọc lên rất nhiều nhằm giải quyết nhu cầu đó
Đi theo với các công trình cao tầng là tầng hầm, nhằm phục vụ mục đích để xe, trung tâm thương mại Việc đưa
ra giải pháp thi công chống đỡ thành hố đào khi thi công tường tầng hầm là rất quan trọng và quyết định sự thành bại của công trình Tuy nhiên trên thực tế quan trắc cho thấy hầu như tất cả các công trình trong giai đoạn thi công hố đào, tường tầng hầm đều chuyển vị tương đối lớn khi sử dụng giải pháp thi công đào mở dẫn đến các
sự cố khi thi công hố đào ở những mức độ khác nhau gây ảnh hưởng đến kết cấu, kiến trúc tường tầng hầm, lún, sụt, nghiêng các công trình xung quanh Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của hệ chống đỡ chủ động (kích thủy lực kết hợp với hệ văng chống thép hình) đến chuyển
vị tường tầng hầm trong giai đoạn thi công hố đào với từng dạng nền của thành phố Hà Nội Từ đó làm cơ sở khoa học ứng dụng vào thi công thực tế nhằm làm giảm chuyển vị tường tầng hầm, giảm các sự cố xảy ra trong giai đoạn thi công hố đào
1 Chuyển vị của đất nền và tường tầng hầm
1.1 Chuyển dịch của đất nền khi thi công hố đào [1]
Thi công hố đào trong đô thị ngày càng được quan tâm nhiều hơn khi xây dựng nhà cao tầng trong khu vực đông dân cư, nơi có các công trình đang tồn tại khai thác
Thi công hố đào sâu có thể lấy đi hàng vạn mét khối đất, làm thay đổi mực nước ngầm, làm cho đất nền bị dịch chuyển Sự chuyển dịch này được biểu hiện ở những hình thái chính sau đây:
+ Hiện tượng lún sụt đất nền xung quanh hố đào : lún sụt do đào hố móng, lún do hạ thấp mực nước ngầm, lún sụt do chấn động;
+ Hiện tượng chuyển dịch đất nền theo phương ngang gây mất ổn định thành hố đào;
+ Hiện tượng đẩy trồi của đáy hố đào
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự dịch chuyển của đất xung quanh hố đào [1]
+ Ảnh hưởng của sự thay đổi ứng suất trong đất
+ Ảnh hưởng của kích thước hố đào + Ảnh hưởng do tính chất của đất nền + Ảnh hưởng của giá trị ứng suất ngang ban đầu trong đất
+ Ảnh hưởng do điều kiện nước ngầm + Ảnh hưởng độ cứng của hệ thống chống đỡ thành
hố đào + Tác động của gia tải trước + Ảnh hưởng do sử dụng các phương pháp thi công + Ảnh hưởng do chất lượng của công tác xây dựng
1.3 Một số phương pháp dự báo, tính toán dịch chuyển của đất nền và tường tầng hầm khi thi công
hố đào
Sự dịch chuyển của đất ngoài hố đào đã được gia
cố bằng tường (tường cừ, tường Baret ) và hệ thanh chống có thể dự báo được theo nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn phương pháp kinh nghiệm, bán kinh nghiệm, các phương pháp phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn, phương pháp trường vận tốc v v Trong phạm vi nghiên cứu của bài báo tác giả dùng phần mềm Plaxis 8.2 để tính toán chuyển vị của đất nền
và tường tầng hầm
2 Gia tải từ thanh chống để giảm chuyển vị của tường
2.1 Điều kiện địa chất
Điều kiện địa chất của công trình luôn có ảnh hưởng rất lớn tới đến công trình trong cả quá trình thiết kế và thi công Rất nhiều các sự cố của phần ngầm công trình dân dụng xuất phát từ sự phức tạp của địa chất công trình
Việc tính toán và lựa chọn được kết cấu cũng như biện pháp thi công chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện địa chất
2.2 Các trường hợp tính toán
Từ các dạng nền đất Hà Nội, các bài toán trong nhiều trường hợp khác nhau được thiết lập để nghiên cứu ảnh hưởng của sự gia tải từ thanh chống đến chuyển vị tường vây tương ứng với từng trường hợp 2,3 tầng hầm với dạng nền tự nhiên trong khu vực thành phố Hà Nội, từ
đó đưa ra được bảng thống kê, hình vẽ thể hiện mối liên
hệ đó, phục vụ cho việc áp dụng cho các công trình sau Bài toán mô phỏng ứng xử của tường vây trong quá trình đào đất, thi công các sàn tầng hầm được thực hiện trên chương trình PLAXIS phiên bản 8.2 Đặc trưng hố đào công trình ngầm khá đối xứng nên mô hình tính được chọn là một bên tường và thực hiện với bài toán phẳng 2D, các bước tính hoàn toàn phù hợp với trình tự thi công : đào đất + hạ mực nước ngầm trong hố đào; lắp thanh chống + kích thanh chống; tuần tự đến đúc bản đáy, kết cấu dầm sàn
Các giá trị tải trọng xung quanh hố đào với khoảng cách tính từ miệng hố đào là 2m và phân bố vùng ảnh hưởng là q=10kN cho 18m tiếp giáp đầu tiên
a Trường hợp công trình 2 tầng hầm Trên thực tế thiết kế và thi công, các trường hợp 2 tầng hầm thường sử dụng tường vây dày 0,6m và có chiều dài khoảng 2 lần chiều sâu hố đào Số liệu đầu vào bài toán ta chọn chiều cao tầng hầm 3,3 m và chiều sâu
hố đào là 8,5 m và chiều sâu tường là 20 m
Hệ chống đỡ: Sử dụng thép hình H 350x350x10x15 có EA=2877000 KN Sức chịu tải của thanh chống là 360 tấn nên khi gia tải cho kích giá trị gia tải không vượt quá sức chịu tải của thanh chống Khoảng cách giữa các thanh chống thường lấy bằng bề rộng 1 đốt tường từ 2-6 m Để đánh giá chính xác tác dụng của sự gia tải bằng kích ta sẽ lấy khoảng cách giữa các thanh chống lớn nhất là 6m để tăng khả năng cơ giới hóa trong thi công
Tính toán qua phần mềm Plaxis 8.2 với các bước thực
Hình 1 Bản đồ chia địa chất công trình thành phố Hà Nội theo mức
độ thuận tiện xây dựng công trình ngầm
Trong đó:
A – đơn lớp;
B – hai lớp;
C – đa lớp có đất yếu [5]
Trang 2- Giai đoạn 1: Thi công tường vây, chất tải
- Giai đoạn 2: Đào đất đến cốt-4,00m
- Giai đoạn 3: Thi công hệ văng chống cốt -3.0 m
- Giai đoạn 4: Thi công lắp đặt và gia tải cho hệ kích
thủy lực ở cốt -3.0m
- Giai đoạn 5: Đào đất đến cốt -8,50 m
Ta vẽ được đồ thị biểu diễn chuyển vị theo phương
ngang của tường theo chiều sâu tường tương ứng với
từng trường hợp đặt kích
• Nhận xét:
Kích chỉ có tác dụng giảm chuyển vị đỉnh và bụng
tường chứ không làm giảm được chuyển vị chân tường
Chuyển vị đáy hố đào giảm đáng kể so với trường hợp
chưa kích Khi lực kích càng tăng thì chuyển vị càng giảm
và đỉnh tường bị đẩy theo chiều hướng ra ngoài hố đào
Biểu đồ bao mô men, độ võng của tường và chuyển
A2 khi bắt đầu tăng lực kích P thì độ võng của tường thay đổi không nhiều và có xu hướng là giảm so với trường hợp lực kích P=0, đến giá trị P=300T thì độ võng của tường bắt đầu tăng lớn hơn khi P=0 Với dạng nền B1, B2 khi bắt đầu tăng P thì độ võng của tường tăng đều và luôn lớn hơn độ võng của tường với trường hợp P=0 Với dạng nền C1 là nền đất tương đối yếu thì kích có tác dụng làm giảm chuyển vị lớn nhất tại bụng nhưng độ võng của tường tăng đáng kể so với trường hợp P=0
Với dạng nền C2 là dạng nền đất yếu chuyển vị chân tường rất lớn nên khuyến cáo là trước khi thi công tường tầng hầm nên gia cố đất nền chân tường bằng phương pháp khoan trộn sâu để giảm chuyển vị chân tường rồi mới áp dụng giải pháp sử dụng kích để chống đỡ khi thi công hố đào
Căn cứ vào kết quả tính toán của tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích với từng dạng nền tác giả đưa
ra giá trị kích phân bố đều trên tường hợp lý đối với từng dạng nền Lực phân bố sẽ bằng giá trị lực kích chia cho khoảng cách thanh chống là 6m
Bảng 1 Các dạng nền tự nhiên trong khu vực thành phố Hà Nội [5]
Loại nền Dạng nền Các đặc trưng cơ bản Diện phân bố
A
Đơn lớp
đồng nhất
A1 Đất loại sét, tầng Vĩnh Phúc, nguồn gốc sông–biển, tuổi Pleixtoxen, đồng nhất về thành phần và tính chất Sức mang tải tiêu chuẩn
R0=0.25-0.3 MPa Mo dun biến dạng E =10MPa
Tây nam Từ Liêm;
Đông Anh A2
Đất loại sét, tầng Thái Bình, nguồn gốc sông, tuổi Holoxen, kém đồng nhất về thành phần và tính chất
R0=0.08-0.10 MPa E =0.5-0.8 MPa
Nội thành Hà Nội
B
Hai lớp
B1 Lớp 1: Đất loại sét, tầng Vĩnh Phúc, dày 10m;
Lớp 2: Đất cát, tầng Vĩnh Phúc, chặt trung bình, dày tới 20 m Bắc Đông Anh B2 Lớp 1: Đất loại sét, tầng Thái Bình, dày 5-10m;
Lớp 2: Đất cát, tầng Thái Bình, chặt trung bình, dày tới 20 m
Nam Đông Anh và Thanh trì; Gia Lâm
C
Đa lớp có
đất yếu
C1
Lớp1: Đất loại sét, tầng Vĩnh Phúc, dày tới 10m;
Lớp2: Đất hữu cơ, tầng Vĩnh Phúc, dày tới 10 m, R0=0.05-0.07 MPa
E =0.3-0.5 MPa Lớp thứ 3: Cát, tầng Vĩnh Phúc
Bắc Đông Anh
C2
Lớp 1: Đất loại sét, tầng Thái Bình, dày 5-10m;
Lớp 2: Đất hữu cơ, tầng Hải Hưng, dày tới 10m R0 = 0.05 MPa
E = 0.3 Mpa
Lớp 3: Đất sét (cát), tầng Vĩnh Phúc
Đông Anh, Gia Lâm (khoảnh nhỏ)
C3
Lớp 1: Đất loại sét, tầng Thái Bình, dày 5-10m;
Lớp 2: Đất bùn hữu cơ, tầng Hải Hưng, dày tới 5-30m, R0 < 0.05 MPa, E < 0.3 MPa
Lớp 3: Đất sét (cát), tầng Vĩnh Phúc
Thanh Trì, nam Từ Liêm
Bảng 2 Bảng tra lực kính với dạng nền tương ứng với TH 2 tầng hầm
Lực kích (Tấn/m) q ≤ 33.3 q ≤ 33.3 q ≤ 33.3 q ≤ 33.3 q ≤ 33.3
Hình 2 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền A1 trường hợp 2 tầng hầm
Hình 3 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền A2 trường hợp 2 tầng hầm
Hình 4 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền B1 trường hợp 2 tầng hầm
Hình 5 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền B2 trường hợp 2 tầng hầm
Hình 6 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền C1 Hình 7 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền C2
Trang 3b Trường hợp công trình 3 tầng hầm
Trên thực tế thiết kế và thi công, các trường hợp 3
tầng hầm thường sử dụng tường vây dày 0,8m và có
chiều dài khoảng 2 lần chiều sâu hố đào Số liệu đầu vào
bài toán ta chọn chiều cao tầng hầm 3,3m và chiều sâu
hố đào là 12 m và chiều sâu tường là 25 m Hệ chống đỡ:
Sử dụng thép hình H 350x350x10x15 có EA=2877000 KN
Trình tự tính toán:
- Giai đoạn 1: Thi công tường vây, chất tải
- Giai đoạn 2: Đào đất đến cốt -4,00m
- Giai đoạn 3: Thi công hệ văng chống cốt -3.0 m
- Giai đoạn 4: Thi công lắp đặt và gia tải cho hệ kích thủy lực ở cốt -3.0m
Hình 8 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm
ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền A1
trường hợp 3 tầng hầm
Hình 9 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền A2 trường hợp 3 tầng hầm
Hình 10 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm
ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền B1
trường hợp 3 tầng hầm
Hình 11 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền B2 trường hợp 3 tầng hầm
- Giai đoạn 5: Đào đất đến cốt -8,00 m
- Giai đoạn 6: Thi công hệ văng chống cốt -7.0 m
- Giai đoạn 7: Thi công lắp đặt và gia tải cho hệ kích thủy lực ở cốt -7.0m
- Giai đoạn 8: Đào đất đến cốt -12,00 m
Ta vẽ được đồ thị biểu diễn chuyển vị của tường theo chiều sâu tường tương ứng với từng trường hợp gia tải kích
• Nhận xét:
Với dạng nền tốt A1, A2, B1, B2 có lớp đất phía chân tường tốt thì kích chỉ có tác dụng giảm chuyển vị đỉnh tường và bụng tường còn chuyển vị chân tường không thay đổi Với dạng nền đất yếu C1 kích có tác dụng giảm chuyển vị đỉnh và bụng tường rõ rệt nhất, còn chân tường thì chuyển vị thay đổi không đáng kể Với dạng nền rất yếu C2 thì kích có tác dụng giảm chuyển vị ở cả đỉnh, bụng và chân tường khi lực kích tăng
Chuyển vị đáy hố đào giảm đáng kể so với trường hợp chưa kích Khi lực kích P1 càng tăng thì chuyển vị đỉnh tường giảm nhiều và tường có xu thế bị đẩy theo chiều hướng ra ngoài hố đào Khi P2 càng tăng thì chuyển vị đáy hố đào càng giảm, chuyển vị bụng tường càng giảm
Đối với nền đất yếu chuyển vị chân tường giảm khi P2
Biểu đồ bao mô men, độ võng của tường và chuyển dịch đất nền thay đổi không đáng kể
Với dạng nền C2 là dạng nền đất yếu chuyển vị chân tường rất lớn nên khuyến cáo là trước khi thi công tường tầng hầm nên gia cố đất nền chân tường bằng phương pháp khoan trộn sâu để giảm chuyển vị chân tường rồi mới áp dụng giải pháp sử dụng kích để giảm chuyển vị tường tầng hầm khi thi công hố đào
Căn cứ vào kết quả tính toán của tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích với từng dạng nền tác giả đưa
ra giá trị kích phân bố đều trên tường hợp lý đối với từng dạng nền Lực phân bố sẽ bằng giá trị lực kích chia cho khoảng cách thanh chống là 6m
Kết luận
- Hệ chống đỡ tường tầm hầm khi thi công hố đào sâu cần đảm bảo đủ độ cứng để hạn chế dịch chuyển ngang của tường, giảm thiểu sự cố xảy ra Tuy nhiên, tăng số lượng thanh chống để đảm bảo đủ độ cứng dẫn đến tăng chi phí cho biện pháp thi công và giảm không gian làm việc trong quá trình thi công
- Chống đỡ tường tầng hầm nhà cao tầng bằng hệ chống đỡ chủ động là một giải pháp hiệu quả nhằm hạn chế chuyển vị ngang của tường chắn đất đảm bảo điều
Hình 12 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền C1 trường hợp 3 tầng hầm
Hình 13 Đồ thị biểu diễn chuyển vị tường tầng hầm ứng với từng trường hợp kích đối với dạng nền C2 trường hợp 3 tầng hầm
Bảng 3 Bảng tra lực kính với dạng nền tương ứng vơi TH 3 tầng hầm
Lực kích q1 ≤ 33.3 q1 ≤ 33.3 q1 ≤ 33.3 q1 ≤ 33.3 q1 ≤ 33.3 (Tấn/m) q2 ≤ 50 q2 ≤ 50 q2 ≤ 50 q2 ≤ 50 q2 ≤ 50